JP4089570B2 - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒エンジンにおいて燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する装置に関するものである。

従来から、火花点火式エンジンにおいて、燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御するものとしては、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、例えば特許文献１に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低回転低負荷域等では前記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている。

このようなエンジンにおいては、排気ガス浄化用の触媒として通常の三元触媒（ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒）だけではリーン運転時にＮＯｘに対して充分な浄化性能が得られないため、前記公報にも示されるように、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着して酸素濃度低下雰囲気でＮＯｘの離脱、還元を行うリーンＮＯｘ触媒を設けている。そして、このようなリーンＮＯｘ触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量が増大したときは、例えば前記公報に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を噴射することで排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにＣＯを生成し、これによってＮＯｘの離脱、還元を促進するようにしている。
特開平１０−２７５０８５号公報

前記のような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のＮＯｘ浄化性能の確保のために前記リーンＮＯｘ触媒を必要とする。そして、高負荷域等の理論空燃比で運転される領域での排気浄化のために三元触媒も必要であって、この三元触媒に加えて前記リーンＮＯｘ触媒が設けられ、かつ、このリーンＮＯｘ触媒はＮＯｘ吸着量をある程度確保するために比較的大容量が必要となり、また、三元触媒と比べて高価であるため、コスト的に不利である。

しかも、前記リーンＮＯｘ触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにＮＯｘ吸着量が増大するような所定の期間毎に、ＮＯｘの離脱、還元のため追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を行う必要があり、これにより、リーン燃焼による燃費改善効果が目減りしてしまうことになる。

そこで、本願出願人は、かかる課題に鑑み、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行う多気筒エンジンにおいて、低負荷低回転域では、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま吸気行程側の気筒である後続気筒に導入し、この後続気筒から排出されるガスを三元触媒を備えた排気通路に導くようにするとともに、この２気筒接続状態にあるときに、前記先行気筒において理論空燃比よりも所定量大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して理論空燃比とした状態で燃焼を行わせるように燃焼状態等を制御（特殊運転モードという）する一方、高負荷高回転域では、通常通り、各気筒毎を理論空燃比で燃焼を行わせるように燃焼状態等を制御（通常運転モードという）することを考えた（特願２００２−０２４５４８号）。

これによると、低負荷低回転域において特殊運転モードとされることにより、先行気筒ではリーン空燃比での燃焼が行われ、熱効率が高められるとともにポンピングロスが低減されることにより大幅な燃費改善効果が得られ、また、前記後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて理論空燃比とされた状態で燃焼が行われ、ポンピングロス低減による燃費改善効果が得られる。しかも、後続気筒から排出される理論空燃比で燃焼させた燃焼ガスのみが三元触媒を備えた排気通路に導かれるため、三元触媒だけで充分に排気浄化性能が確保され、リーンＮＯｘ触媒も不要となる。

しかしながら、モードの切替の過渡期には、弁の動作、停止の切り替えの時期がずれる可能性があり、このような場合でも供給された燃料の燃焼及び燃焼されたガスの排出等が良好に行われることが要求される。

本発明は以上のような従来の課題を考慮してなされたものであり、燃費改善及びエミッション向上のために前記運転モードを切り替える場合においても、円滑に運転モードの切り替えを行うことのできる火花点火式エンジンの制御装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うように構成された多気筒の火花点火式エンジンの制御装置であって、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において、排気行程側の気筒である先行気筒で理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、この先行気筒から排出される既燃ガスを吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入し、この既燃ガスと新たに導入した燃料とを燃焼させて、その燃焼ガスを排気通路に排出する特殊運転モードと、各気筒が独立して吸気通路から吸気を行うとともに排気通路から排気を行って燃焼を行う通常運転モードと、を切り替えるエンジン制御手段を備え、このエンジン制御手段は、前記通常運転モードと前記特殊運転モードとを切り替える際、前記後続気筒のみを燃焼させる切替運転モードを行った後に切り替えるものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の火花点火式エンジンの制御装置において、前記切替運転モードを行う際、前記先行気筒への燃料の供給を停止し、前記後続気筒のみに燃料噴射させるものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の火花点火式エンジンの制御装置において、前記排気通路に、前記先行気筒に通じる先行気筒側排気通路と、前記後続気筒に通じる後続気筒側排気通路とを形成し、前記先行気筒側排気通路及び前記後続気筒側排気通路に個別に三元触媒を配置したものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式エンジンの制御装置において、前記後続気筒への新気導入の停止、実行を切り替える第一の切替手段と、前記気筒間ガス通路の流通の実行、停止を切り替えるとともに、前記先行気筒から前記先行気筒側排気通路への排気の停止、実行を切り替える第二の切替手段と、を備えたものである。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の火花点火式エンジンの制御装置において、前記エンジン制御手段で前記特殊運転モードから前記通常運転モードに切り替える際、前記第一の切替手段の切り替えを前記第二の切替手段の切り替えより早く作動させることにより、前記気筒間ガス通路による前記先行気筒から前記後続気筒への既燃ガスの供給が停止する前に、前記後続気筒に備えられた前記吸気通路から前記後続気筒に新気が供給されるように構成したものである。

請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の火花点火式エンジンの制御装置において、前記第二の切替手段は、前記先行気筒の排気ポートに設けられた排気弁、前記気筒間ガス通路の先行気筒側端部に設けられたガス導出弁及び後続気筒側端部に設けられたガス導入弁のそれぞれに対して設けられて、各弁を作動状態と停止状態とに切り替える油圧式の弁停止機構と、これらの弁停止機構に接続された作動油給排用の通路に設けられて、これらの弁停止機構に対する作動油の給排を制御する共通のコントロール弁とを備え、このコントロール弁の制御により、前記弁停止機構を介して、前記排気弁を停止状態とするときは前記ガス導出弁及び前記ガス導入弁を作動状態とし、前記排気弁を作動状態とするときは前記ガス導出弁及び前記ガス導入弁を停止状態とするようになっているものである。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
前記切替運転モードを、前記特殊運動モードから前記通常運転モードへと切り替える際に実行するものである。

請求項１記載の発明の構成を採れば、前記通常運転モードと前記特殊運転モードとを切り替える際、前記後続気筒のみを燃焼させる切替運転モードを行った後に切り替えることになる。そして、この後続気筒は、通常運転モード及び特殊運転モードいずれの運転モードであっても前記排気通路から排気を行うことになるため、モードの切替の過渡期において、弁の動作、停止の切り替え時期がずれた場合においても燃焼されたガスの排出等を良好に行うことが可能となり、前記過渡期においても安定した燃焼状態を確保することが可能となる。

したがって、前記特殊運転モードから前記通常運転モードに切り替える場合において、円滑に運転モードの切り替えを行うことが可能となる。

請求項２記載の発明の構成を採れば、前記切替運転モードを行う際、前記先行気筒への燃料の供給を停止し、前記後続気筒のみに燃料噴射させることにより、前記切替運転モードにおいて前記後続気筒のみを容易かつ確実に燃焼させることが可能となる。

なお、前記特殊運転モードと前記通常燃焼モードとを切り替える際には、前記先行気筒では燃焼を行わないため、前記先行気筒に配置された排気通路からは新気がそのまま排出されることになる。

そこで、請求項３記載の発明の構成を採れば、前記先行気筒側排気通路及び前記後続気筒側排気通路に個別に三元触媒を配置しているため、三元触媒が配置される箇所には、前記先行気筒から排出される新気と前記後続気筒から排出される排気ガスとが混合して入り込む、すなわちリーン状態となった排気ガスが前記三元触媒が配置された箇所に入り込むことがなくなり、前記排気ガスの浄化を確実に行うことが可能となる。

請求項４記載の発明の構成を採れば、前記後続気筒への新気導入の停止、実行を切り替える第一の切替手段と、前記気筒間ガス通路の流通の実行、停止を切り替えるとともに、前記先行気筒から前記先行気筒側排気通路への排気の停止、実行を切り替える第二の切替手段と、を備えているため、請求項５記載の発明のように、前記特殊運転モードから前記通常運転モードに切り替える際、前記第一の切替手段を前記第二の切替手段より早く作動させることにより、前記先行気筒から前記後続気筒へのガスの供給が停止する前に、前記後続気筒に新気を供給することが出来る。

したがって、前記後続気筒に空気の供給がストップすることを、より確実に阻止することが出来るため、前記切替運転モードにおいて、前記後続気筒の燃焼をより確実に行うことが可能となる。

請求項６記載の発明の構成を採れば、前記先行気筒の排気ポートに設けられた排気弁と前記気筒間ガス通路の先行気筒側端部に設けられたガス導出弁と、後続気筒側端部に設けられたガス導入弁とは、共通の制御部材（コントロール弁）によって制御することが可能となるため、制御装置全体をコンパクトにすることが可能となる。また、制御部材の個数も減らすことができ、製造コストを抑えることも可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図２はエンジン本体１の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体１は複数の気筒を有し、図示の実施形態では４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有している。各気筒２Ａ〜２Ｄにはピストン３が嵌挿され、ピストン３の上方に燃焼室４が形成されている。

各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４の頂部には点火プラグ７が装備され、そのプラグ先端が燃焼室４内に臨んでいる。この点火プラグ７には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路８が接続されている。また、燃焼室４の側方部には、燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９が設けられている。

さらに、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１、１１ａ，１１ｂ及び排気ポート１２、１２ａ，１２ｂが開口し、これらのポートに吸気通路１５、排気通路２０等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁３１、３１ａ，３１ｂ及び排気弁３２、３２ａ，３２ｂにより開閉されるようになっている。

そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっており、４気筒エンジンの場合、気筒列方向一端側から一番気筒２Ａ、二番気筒２Ｂ、三番気筒２Ｃ、四番気筒２Ｄと呼ぶと、図５に示すように前記サイクルが一番気筒２Ａ、三番気筒２Ｃ、四番気筒２Ｄ、二番気筒２Ｂの順にクランク角で１８０°ずつの位相差をもって行われるようになっている。なお、図５において、ＥＸは排気行程、ＩＮは吸気行程であり、また、Ｆは燃料噴射、Ｓは強制点火を表し、図中の星マークは圧縮着火（条件によっては強制点火）が行われることを表している。

排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒（当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ）から吸気行程側の気筒（当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ）へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路２２が設けられている。当実施形態の４気筒エンジンでは、図５に示すように一番気筒２Ａの排気行程（ＥＸ）と二番気筒２Ｂの吸気行程（ＩＮ）とが重なり、また四番気筒２Ｄの排気行程（ＥＸ）と三番気筒２Ｃの吸気行程（ＩＮ）が重なるので、一番気筒２Ａと二番気筒２Ｂ、及び、四番気筒２Ｄと三番気筒２Ｃがそれぞれ一対をなし、一番気筒２Ａ及び四番気筒２Ｄが先行気筒、二番気筒２Ｂ及び三番気筒２Ｃが後続気筒となる。

各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路及び気筒間ガス通路は、具体的には次のように構成されている。

先行気筒である一番気筒２Ａ及び四番気筒２Ｄ（以下、先行気筒については、先行気筒２Ａ，２Ｄと示す。）には、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート１１と、既燃ガス（排気ガス）を排気通路に送り出すための第一排気ポート１２ａと、既燃ガスを後続気筒に導出するための第二排気ポート１２ｂとが配設されている。また、後続気筒である二番気筒２Ｂ及び三番気筒２Ｃ（以下、後続気筒については、後続気筒２Ｂ，２Ｃと示す。）には、それぞれ、新気を導入するための第一吸気ポート１１ａと、先行気筒からの既燃ガスを導入するための第二吸気ポート１１ｂと、既燃ガスを排気通路に送り出すための排気ポート１２とが配設されている。

図１に示す例では、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第一吸気ポート１１ａが、１気筒当り２個ずつ、燃焼室に並列的に設けられる一方、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第一排気ポート１２ａ及び第二排気ポート１２ｂならびに後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第二吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２が、燃焼室に並列的に設けられている。

先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第一吸気ポート１１ａには、吸気通路１５における気筒別の分岐吸気通路１６の下流端が接続されている。各分岐吸気通路１６の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動するスロットル弁１７が設けられており、このスロットル弁１７は制御信号に応じてアクチュエータ１８により駆動され、吸入空気量を調節するようになっている。なお、吸気通路１５における分岐吸気通路１６の集合部より上流の共通吸気通路には吸気流量を検出するエアフローセンサ１９および吸気温を測定する吸気温センサ２７が設けられている。また、スロットル弁１７は、一般的には多連スロットル弁が用いられている。

先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第一排気ポート１２ａおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける排気ポート１２には、排気通路２０における気筒別の分岐排気通路２１の上流端が接続されている。

排気通路２０は、先行気筒側排気通路２０ａと、後続気筒側排気通路２０ｂとを備えている。先行気筒側排気通路２０ａは、先行気筒２Ａ，２Ｄに接続される分岐排気通路２１に接続され、後続気筒側排気通路２０ｂは、後続気筒２Ｂ，２Ｃに接続される分岐排気通路２１に接続されている。

また、先行気筒側排気通路２０ａ、後続気筒側排気通路２０ｂには、各々排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するＯ₂センサ２３が設けられている。Ｏ₂センサ２３は、理論空燃比付近で出力が急変するλＯ₂センサであり、このＯ₂センサ２３の出力に基いて各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料噴射量がフィードバック制御される。

さらにＯ₂センサ２３の下流の先行気筒側排気通路２０ａ及び後続気筒側排気通路２０ｂには、各々排気浄化用の三元触媒２４ａ、２４ｂが設けられている。この三元触媒２４ａ、２４ｂは、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λがλ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。

また、一番気筒２Ａと二番気筒２Ｂとの間及び三番気筒２Ｃと四番気筒２Ｄとの間にそれぞれ気筒間ガス通路２２が設けられ、先行気筒２Ａ，２Ｄの第二排気ポート１２ｂに気筒間ガス通路２２の上流端が接続されるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃの第二吸気ポート１１ｂに気筒間ガス通路２２の下流端が接続されている。

前記気筒間ガス通路２２は、互いに隣接する気筒間を接続する比較的短い通路であり、ウォータージャケット２６に覆設されている。ウォータージャケット２６は、その内部に気筒間ガス通路２２を取り囲むような冷却水通路５２（図３参照）を備える。そして先行気筒から排出される既燃ガスがこの気筒間ガス通路２２を通る際、放熱を抑制する場合は冷却水を停止し、放熱を促進する場合は冷却水を循環させるようになっている。なお、冷却水通路５２には、冷却水を循環させるための冷却用ポンプ５０およびそれを駆動する冷却用ポンプ駆動モータ５１が設けられるとともに、冷却水の温度を測定するためのガス通路冷却水温センサ５７が設けられている（図３参照）。

また、気筒間ガス通路２２には、酸素濃度に応じて出力がリニアに変化するリニアＯ₂センサ２５が設けられており、その出力に応じ、所定のリーン空燃比とされる先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量がフィードバック制御される。

各気筒の吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。

先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１、第一排気ポート１２ａ及び第二排気ポート１２ｂにはそれぞれ吸気弁３１、第一排気弁３２ａ及び第二排気弁３２ｂ（ガス導出弁）が設けられ、また、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第一吸気ポート１１ａ、第二吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２にはそれぞれ第一吸気弁３１ａ、第二吸気弁３１ｂ（ガス導入弁）及び排気弁３２が設けられている。そして、各気筒の吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これら吸・排気弁がそれぞれカムシャフト３３，３４等からなる動弁機構により所定のタイミングで開閉するように駆動される。

さらに、これらの吸・排気弁のうちで第一排気弁３２ａ、第二排気弁３２ｂ、第一吸気弁３１ａ及び第二吸気弁３１ｂに対しては、各弁を作動状態と停止状態とに切換える弁停止機構３５が設けられている。この弁停止機構３５は、従来から知られているため詳しい図示は省略するが、例えば、カムシャフト３３，３４のカムと弁軸との間に介装されたタペットに作動油の給排が可能な油圧室が設けられ、この油圧室に作動油が供給されている状態ではカムの作動が弁に伝えられて弁が開閉作動され、油圧室から作動油が排出されたときにはカムの作動が弁に伝えられなくなることで弁が停止されるようになっている。

前記第一吸気弁３１ａの弁停止機構３５に対する作動油給排用の通路３６には第一コントロール弁３７が、また第一排気弁３２ａの弁停止機構３５と第二排気弁３２ｂの弁停止機構３５と第二吸気弁３１ｂの弁停止機構３５とに対する作動油給排用の通路３８には第二コントロール弁３９がそれぞれ設けられている（図３参照）。

図３は駆動、制御系統の構成を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のＥＣＵ（コントロールユニット）４０（エンジン制御手段）には、エアフローセンサ１９、Ｏ₂センサ２３、リニアＯ₂センサ２５および吸気温センサ２７からの信号が入力され、運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ４５、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセル開度センサ４６および車速センサ５５等からの信号が入力され、更に各冷却水の温度を検知するためにエンジン冷却水温センサ５６やガス通路冷却水温センサ５７からの信号が入力されている。このＥＣＵ４０から、各燃料噴射弁９と、スロットル弁１７のアクチュエータ１８と、前記第一，第二のコントロール弁３７，３９と、冷却用ポンプ駆動モータ５１とに対して制御信号が出力されている。

前記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、弁停止機構制御手段４２、吸入空気量制御手段４３、燃焼制御手段４４及びガス通路冷却制御手段４７を備えている。

運転状態判別手段４１は、前記回転数センサ４５及びアクセル開度センサ４６等からの信号によりエンジンの運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）を調べ、運転状態が図４に示すような低負荷低回転側の運転領域Ａと、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂとのいずれの領域にあるかを判別する。

エンジンが温間状態（完全に暖機された状態）にあり、かつ特別な状態（例えば後述する後続気筒の筒内温度上昇など）にないとき、運転領域Ａでは特殊運転モードでの運転を行い、運転領域Ｂでは通常運転モードでの運転を行う。なお、特殊運転モード及び通常運転モードの詳細については、後述する。

弁停止機構制御手段４２は、第一切替制御手段４２ａと第二切替制御手段４２ｂとを備えている。

第一切替制御手段４２ａは、第一コントロール弁３７を制御することにより、第一吸気弁３１ａの弁停止機構３５を制御する。

また、第二切替制御手段４２ｂは、第二コントロール弁３９を制御することにより、第一排気弁３２ａ及び第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂに配置された弁停止機構３５を制御する。

すなわち、第一切替制御手段４２ａ、第一コントロール弁３７、及び、これらに制御される弁停止機構３５により、第一の切替手段が構成され、第二切替制御手段４２ｂ、第二コントロール弁３９、及び、これらに制御される弁停止機構３５により、第二の切替手段が構成されている。

そして、これら第一及び第二切替制御手段４２ａ、４２ｂで、特殊運転モードと通常運転モードとに応じ、前記各コントロール弁３７，３９を制御することにより、各弁停止機構３５を次のように切替制御を行う。

特殊運転モード：第一排気弁３２ａ及び第一吸気弁３１ａを停止状態
第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂを作動状態
通常運転モード：第一排気弁３２ａ及び第一吸気弁３１ａを作動状態
第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂを停止状態
なお、吸気弁３１、及び、排気弁３２は、前記運転モードに関係なく、常に作動する状態となっている。

前記吸入空気量制御手段４３は、アクチュエータ１８を制御することによりスロットル弁１７の開度（スロットル開度）を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量（目標吸気量）を求め、その目標吸入空気量に応じてスロットル開度を制御する。

この場合、特殊運転モードでは、後述のように後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいては分岐吸気通路１６からの吸気導入が遮断された状態で先行気筒から導入される既燃ガス中の過剰空気と新たに供給される燃料との比が理論空燃比とされつつ燃焼が行われるので、先行、後続の２気筒分の要求トルクに応じた燃料の燃焼に必要な量の新気（２気筒分の燃料の量に対して理論空燃比となる量の空気）が先行気筒２Ａ，２Ｄに供給されるように、スロットル開度が調節される。

また、通常運転モードでは、各気筒２Ａ〜２Ｄは、各々理論空燃比、または、理論空燃比よりもリッチとなる状態で燃焼を行うため、この燃焼状態に対応する量の新気が供給されるように、スロットル開度が調節される。すなわち、前記先行気筒２Ａ，２Ｄに配置されたスロットル弁１７の開度は、前記特殊運転モードの場合と比較して小さくなる。

前記燃焼制御手段４４は、燃料噴射制御手段４４ａと点火制御手段４４ｂとからなっており、燃料噴射制御手段４４ａにより、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃料噴射弁９からの燃料噴射量及び噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御するとともに、点火制御手段４４ｂにより運転状態に応じた点火時期の制御及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が特殊運転モードである場合と通常運転モードである場合とで燃焼の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。

すなわち、特殊運転モードの場合、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比、好ましくは理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上とするように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で燃料を噴射して混合気の成層化を行わせるように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火タイミングを設定する。一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対しては、先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに対して燃料を供給し、理論空燃比となるように燃料噴射量を制御するとともに、吸気行程で燃料を噴射するように噴射タイミングを設定する。そして、後続気筒２Ｂ，２Ｃの筒内温度が圧縮着火に適した温度であるときには強制点火を停止させて圧縮着火による燃焼を行う。

また、通常運転モードの場合には、各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えば通常運転モードのうちの大部分の領域において理論空燃比とし、全開負荷及びその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒２Ａ〜２Ｄに対して吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射タイミングを設定し、かつ、各気筒２Ａ〜２Ｄとも強制点火を行わせるようにする。

ガス通路冷却制御手段４７は、特殊運転モード中、気筒間ガス通路２２内を流れる既燃ガス温度の制御を行う。特殊運転モード中であっても、運転状態が、比較的高負荷高回転である場合や、運転領域Ｂから運転領域Ａに移行した直後などは、後続気筒２Ｂ，２Ｃの筒内温度が圧縮着火に適した温度よりも高温になる場合がある。そのため、ガス通路冷却制御手段４７は、後続気筒の混合気温度が所定値以上であるとき、冷却用ポンプ駆動モータ５１を作動させて混合気を冷却する。その冷却用ポンプ駆動モータ５１に駆動される冷却用ポンプ５０によって冷却水が冷却水通路５２内を循環し、ウォータージャケット２６内の気筒間ガス通路２２を冷却する。このため、先行気筒２Ａ，２Ｄから気筒間ガス通路２２を経由して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導かれる既燃ガスの温度が降下するので、後続気筒２Ｂ，２Ｃの筒内温度が圧縮着火に適した温度に維持される。

以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図７を参照しつつ説明する。

特殊運転モードでは前述のように第一排気弁３２ａ及び第一吸気弁３１ａが停止状態、第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂが作動状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図６に示すようになり、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるとともに、この後続気筒２Ｂ，２Ｃで燃焼されてから排出される燃焼ガスのみが排気通路２０に導かれるような２気筒接続状態とされる。

この状態において、先行気筒２Ａ，２Ｄにそれぞれ吸気行程で吸気通路１５から新気が導入され（図６中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２ＤではリニアＯ₂センサ２５により検出される空燃比が理論空燃比の略２倍ないしそれ以上の超リーン空燃比となるように燃料噴射量がフィードバック制御されつつ圧縮行程で燃料が噴射され、かつ、所定点火時期に点火が行われて、超リーン空燃比での成層燃焼が行われる。

その後、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気行程が重なる期間に、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスが気筒間ガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される（図５中の白抜き矢印及び図６中の矢印ｂ）。そして、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて、実質的に理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、吸気行程で燃料が噴射される。このとき、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは点火プラグ７での強制点火が停止され、圧縮行程の上死点付近で燃焼室内の圧力、温度の上昇により圧縮着火が行われる。

このように、先行気筒２Ａ，２Ｄではリーン空燃比での成層燃焼が行われることにより、熱効率が高められるとともにポンピングロスが低減され、これらの相乗効果で大幅に燃費が改善される。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは空気過剰状態の既燃ガスに対し燃料が供給されて理論空燃比に制御されつつ燃焼が行われることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄのようにリーン空燃比で成層燃焼が行われるものと比べると熱効率では多少劣るものの、ポンピングロス低減による燃費改善効果が充分に得られる。

すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄでは超リーンでの成層燃焼により熱効率が高められるとともにポンピングロスが低減される一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄと同様にポンピングロス低減効果が得られるとともに、圧縮着火による燃焼を行う場合には、均一な混合気分布状態で圧縮着火が行われることにより熱効率が高められる。したがって、これらの作用により、燃費が大幅に改善されることとなる。

また、必要に応じて後続気筒を圧縮着火から強制点火に切換えるので、圧縮着火に不適な運転領域であっても、強制点火による特殊運転モードが可能となる。

さらに、先行気筒２Ａ，２Ｄでは理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上のリーン空燃比とされることでＮＯｘ発生量が比較的少なく抑えられ、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから既燃ガスが導入されることで多量のＥＧＲが行われているのと同等の状態となることからＮＯｘの発生が充分に抑制される。このような点からもエミッションの向上に有利となる。

一方、通常運転モードでは前述のように第一排気弁３２ａ及び第一吸気弁３１ａが作動状態、第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図７に示すようになり、実質的に各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１，１１ａ及び排気ポート１２ａ，１２が独立し、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１，１１ａに新気が導入されるとともに各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート１２，１２ａから排気通路２０に既燃ガスが排出される。そしてこの場合は、理論空燃比もしくはそれよりリッチとなる（但し、全開負荷領域及びその周辺の運転領域のみ）ように吸入空気量及び燃料噴射量が制御されることにより、出力性能が確保される。

図８は、ＥＣＵ４０の制御のうち、通常運転モードと特殊運転モードとの切替に関する部分のフローチャートを示す。

制御スタート後、まず、ステップＳ１１で、運転状態判別手段４１により現在のエンジンの運転状態が、運転領域Ａに位置する領域か、運転領域Ｂに位置する領域かを判定する。

ステップＳ１１で、運転領域がＢである場合、ステップＳ２１に移行し、運転状態判別手段４１により、運転領域のＡからＢへの移行の有無を判定する。

ステップＳ２１でＹＥＳの場合（運転領域がＡからＢへ移行されたと判定されたとき）、特殊運転モードから通常運転モードへの切替を行う必要があるが、その切替を行う際、切替運転モードを介在させる。以下、特殊運転モードから通常運転モードへと切り替える際の切替運転モードの制御をステップＳ２２〜ステップＳ２７で説明する。

まず、ステップＳ２２において、燃料噴射制御手段４４ａを作動させて先行気筒２Ａ，２Ｄへの燃料噴射を停止し、先行気筒２Ａ，２Ｄの燃焼を停止する。これに伴い、気筒間ガス通路２２からは、後続気筒に対し新気が導入されることになる。次に、ステップＳ２３において、スロットル弁１７の開度を大きくして吸気量を多少増加させるように調節する。さらに、ステップＳ２４で、燃料噴射制御手段４４ａで、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射量を理論空燃比に対応する量に変更する。

またさらに、ステップＳ２５で、スロットル弁１７の開度を小さくし、その状態で第一切替制御手段４２ａを作動させ、第一吸気弁３１ａを停止状態から作動状態に切り替える。

その後、ステップＳ２６で、スロットル弁１７の開度を再度大きくし、その状態で第二切替制御手段４２ｂを作動させ、第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂを作動状態から停止状態へと切り替えるとともに、第一排気弁３２ａを停止状態から作動状態へと切り替える。

最後に、切替運転モードから通常運転モードへと移行すべく、ステップＳ２７で、スロットル弁１７の開度を通常運転モードでの要求吸気量に見合う程度まで小さくするとともに、理論空燃比に対応する燃料噴射量に変更した状態で、先行気筒２Ａ，２Ｄへの燃料噴射制御手段４４ａによる燃料噴射を再開させる。

なお、ステップＳ２１で、ＮＯの場合（運転領域の切替がないと判定された場合）、運転モードの切替を行わず、そのまま通常運転モードでの制御を続行する（ステップＳ２８）。

次に、ステップＳ１１で、運転領域がＡである場合を説明する。

この場合、ステップＳ３１に移行し、運転状態判別手段４１により、運転領域のＢからＡへの移行の有無を判定する。

ステップＳ３１でＹＥＳの場合（運転領域がＢからＡへ移行されたと判定されたとき）、通常運転モードから特殊運転モードへの切替を行う必要があるが、その切替を行う際、切替運転モードを介在させる。以下、通常運転モードから特殊運転モードへと切り替える際の切替運転モードの制御をステップＳ３２〜ステップＳ３６で説明する。

まず、ステップＳ３２において、燃料噴射制御手段４４ａを作動させて先行気筒２Ａ，２Ｄへの燃料噴射を停止する。そして、ステップＳ３３で、スロットル弁１７の開度を大きくすることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄの目標吸気量に対応したスロットル弁１７の開度に調節する。

次に、ステップＳ３４で、スロットル弁１７の開度を小さくし、その状態で第二切替制御手段４２ｂを作動させ、第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂを停止状態から作動状態へと切り替えて気筒間ガス通路２２から新気を導入することともに、第一排気弁３２ａを作動状態から停止状態へと切り替える。

さらに、ステップＳ３５で、スロットル弁１７の開度を大きくし、その状態で第一切替制御手段４２ａを作動させ、第一吸気弁３１ａを作動状態から停止状態に切り替える。

その後、切替運転モードから特殊運転モードへと移行すべく、ステップＳ３６で、スロットル弁１７の開度を小さくし、リーン空燃比に対応する燃料噴射量に変更した状態で、先行気筒２Ａ，２Ｄへの燃料噴射制御手段４４ａによる燃料噴射を再開させ、さらに、ステップＳ３７において、燃料噴射制御手段４４ａで後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射量を理論空燃比に対応する量に変更させる。

なお、ステップＳ３１で、ＮＯの場合（運転領域の切替がないと判定された場合）、運転モードの切替を行わず、そのまま特殊運転モードを続行する（ステップＳ３８）。

以上の構成を採れば、通常運転モードと特殊運転モードとを切り替える際、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる切替運転モードを行った後に切り替えることになる。そして、この後続気筒２Ｂ，２Ｃは、前記運転モードの切り替えに関係なく、常に、気筒内で燃焼したガスを排気ポート１２から後続気筒側排気通路２０ｂに排出する作動状態が保たれているため、運転モードの過渡期においても供給された燃料の燃焼および燃焼されたガスの排出を確実に行うことが可能となる。したがって、モードの切替の過渡期において、弁の動作、停止の切り替えの時期がずれた場合においても燃焼されたガスの排出等が良好に行うことが可能となる。よって、前記過渡期においても安定した燃焼状態を確保することが可能となる。

また、切替運転モードを行う際、先行気筒２Ａ，２Ｄへの燃料の供給を停止し、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみに燃料噴射させるため、切替運転モードを実行するとき、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる状態にすることを、より確実に行うことが可能となる。

なお、前記切替運転とを切り替える際には、先行気筒２Ａ，２Ｄでは燃焼を行わないため、先行気筒２Ａ，２Ｄに配置された先行気筒側排気通路２０ａからは新気がそのまま排出されることになる。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、理論空燃比による燃焼を行った燃焼ガスが後続気筒側排気通路２０ｂから排出され、後続気筒側排気通路２０ｂに配置された三元触媒２４ｂにより浄化されることになる。

すなわち、先行気筒側排気通路２０ａから排出される新気が後続気筒側排気通路２０ｂから排出される燃焼ガスと混合することがなくなるため、後続気筒側排気通路２０ｂから排出される排気がリーン状態となって、三元触媒２４ｂが機能しなくなることを阻止することが出来、前記排気の浄化を確実に行うことが可能となる。

また、前記特殊運転モードから前記通常運転モードに切り替える際、前記第一切替制御手段４２ａを第二切替制御手段４２ｂより早く作動させることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄから後続気筒２Ｂ，２Ｃへのガスの供給が停止する前に、後続気筒２Ｂ，２Ｃに新気を供給することが可能となる。

したがって、前記切替運転モードにおいて、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの空気の供給がストップすることを確実に阻止し、前記後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼をより確実に行うことが可能となる。

さらに、先行気筒２Ａ，２Ｄの第一排気ポート１２ａに設けられた第一排気弁３２ａ、気筒間ガス通路２２の先行気筒側端部に設けられた第二排気弁３２ｂ、及び、後続気筒２Ｂ，２Ｃの側端部に設けられた第二吸気弁３１ｂは、共に第二コントロール弁３９によって作動状態と停止状態とに切り替えられている。すなわち、これらの弁についての制御部材の共通化を行っているため、制御装置全体をコンパクトにすることが可能となる。また、制御部材の個数も減らすことができ、製造コストを抑えることも可能となる。

また、ステップＳ２３で、スロットル弁１７の開度を大きくした状態で、ステップＳ２４で、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼を行うため、特殊運転モードのときと比較して熱効率が低下しても、その分を吸気量及び燃料噴射量の増加で補うことができ、エンジン全体から得られるトルク量が急激に低下することがなく、トルクショックが生ずることをより有効に抑制することができる。

さらに、ステップＳ２５で、スロットル弁１７の開度を小さくすることにより、第一吸気弁３１ａが作動することに伴って後続気筒２Ｂ，２Ｃへの新気の吸気量が急激に増大することを阻止し、トルク量が急激に増大することを抑制することができる。

また、ステップＳ２６で、スロットル弁１７の開度を大きくし、第一吸気弁３１ａからの吸気量を多くすることにより、第二排気弁３２ｂ及び第二吸気弁３１ｂの作動を停止状態させることによって後続気筒２Ｂ，２Ｃに吸入される吸気量が急激に減少することを抑制することが出来、トルク量が急激に減少することを、抑制することができる。

さらに、ステップＳ３４で、スロットル弁１７の開度を小さくして、第一吸気弁３１ａからの吸気量を制限することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される吸気量が急激に増大することを阻止し、トルク量が急激に増大することを抑制することができる。

また、ステップＳ３５で、スロットル弁１７の開度を大きくし、先行気筒２Ａ，２Ｄに吸気される新気を多くし、気筒間ガス通路２２を通じて後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される吸気量を多くすることにより、第一吸気弁３１ａの作動の停止させることによって後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される吸気量が急激に減少することを阻止し、トルク量が急激に減少することを抑制することができる。

さらに、ステップＳ３６で、スロットル弁１７の開度を小さくしているため、リーン空燃比による燃焼を先行気筒２Ａ，２Ｄで行うことにより、熱効率のよい特殊運転モードに切り替えたときにおいても、トルク量が急激に増大することを抑制することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定するものではなく、たとえば以下に示すような形態も可である。

一．特殊運転モードにおける後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料供給は、必ずしも燃焼室に直接燃料を噴射する直噴タイプでなくても良い。例えば燃料噴射弁を気筒間ガス通路２２と吸気ポート１１ａに設け、特殊運転モード中は気筒間ガス通路２２に燃料を噴射することにより、通常運転モード中は吸気ポート１１ａに燃料を噴射することにより、それぞれ後続気筒に燃料を供給するものでも良い。

二．気筒間ガス通路２２の冷却手段は、前記のような水冷式に限定するものではない。例えば、気筒間ガス通路２２の外側に多数の冷却フィンを設けるとともに、走行風をそのフィン部に導入するようないわゆる空冷式であっても良い。また特に冷却手段を設けなくても良い。

三．本発明は四気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば六気筒等では１つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う２つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。

本発明の一実施形態による装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。 エンジン本体等の概略断面図である。 制御系統のブロック図である。 運転領域を示す説明図である。 各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。 低負荷低回転時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。 高負荷、高低回転側の運転領域にある時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。 通常運転モードと特殊運転モードとの切替に関する制御のフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン本体
２Ａ 一番気筒（先行気筒）
２Ｂ 二番気筒（後続気筒）
２Ｃ 三番気筒（後続気筒）
２Ｄ 四番気筒（先行気筒）
１１ 吸気ポート
１２ 排気ポート
１５ 吸気通路
２０ａ 先行気筒側排気通路
２０ｂ 後続気筒側排気通路
２０ 排気通路
２２ 気筒間ガス通路
２４ａ，２４ｂ 三元触媒
３１ 吸気弁
３１ｂ 第二吸気弁（ガス導入弁）
３２ 排気弁
３２ｂ 第二排気弁（ガス導出弁）
３５ 弁停止機構（第一の切替手段、第二の切替手段）
３７ 第一コントロール弁（第一の切替手段）
３９ 第二コントロール弁（第二の切替手段）
４０ ＥＣＵ（エンジン制御手段）
４１ 運転状態判別手段
４２ａ 第一切替制御手段（第一の切替手段）
４２ｂ 第二切替制御手段（第二の切替手段）

Claims (7)

1. 各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うように構成された多気筒の火花点火式エンジンの制御装置であって、
   排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において、排気行程側の気筒である先行気筒で理論空燃比より大きな空燃比で燃焼させ、この先行気筒から排出される既燃ガスを吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入し、この既燃ガスと新たに導入した燃料とを燃焼させて、その燃焼ガスを排気通路に排出する特殊運転モードと、
   各気筒が独立して吸気通路から吸気を行うとともに排気通路から排気を行って燃焼を行う通常運転モードと、
   を切り替えるエンジン制御手段を備え、
   このエンジン制御手段は、前記通常運転モードと前記特殊運転モードとを切り替える際、前記後続気筒のみを燃焼させる切替運転モードを行った後に切り替える
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記切替運転モードを行う際、前記先行気筒への燃料の供給を停止し、前記後続気筒のみに燃料噴射させる
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記排気通路に、前記先行気筒に通じる先行気筒側排気通路と、前記後続気筒に通じる後続気筒側排気通路とを形成し、前記先行気筒側排気通路及び前記後続気筒側排気通路に個別に三元触媒を配置した
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記後続気筒への新気導入の停止、実行を切り替える第一の切替手段と、
   前記気筒間ガス通路の流通の実行、停止を切り替えるとともに、前記先行気筒から前記先行気筒側排気通路への排気の停止、実行を切り替える第二の切替手段と、
   を備えたことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジン制御手段で前記特殊運転モードから前記通常運転モードに切り替える際、前記第一の切替手段の切り替えを前記第二の切替手段の切り替えより早く作動させることにより、前記気筒間ガス通路による前記先行気筒から前記後続気筒への既燃ガスの供給が停止する前に、前記後続気筒に備えられた前記吸気通路から前記後続気筒に新気が供給されるように構成した
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
6. 請求項４又は５記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記第二の切替手段は、前記先行気筒の排気ポートに設けられた排気弁、前記気筒間ガス通路の先行気筒側端部に設けられたガス導出弁及び後続気筒側端部に設けられたガス導入弁のそれぞれに対して設けられて、各弁を作動状態と停止状態とに切り替える油圧式の弁停止機構と、これらの弁停止機構に接続された作動油給排用の通路に設けられて、これらの弁停止機構に対する作動油の給排を制御する共通のコントロール弁とを備え、このコントロール弁の制御により、前記弁停止機構を介して、前記排気弁を停止状態とするときは前記ガス導出弁及び前記ガス導入弁を作動状態とし、前記排気弁を作動状態とするときは前記ガス導出弁及び前記ガス導入弁を停止状態とするようになっている
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
7. 請求項１〜６記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
   前記切替運転モードを、前記特殊運動モードから前記通常運転モードへと切り替える際に実行する
   ことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。

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